DE102021202914B3 - Pulse-controlled inverter arrangement and method for operating a pulse-controlled inverter arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Pulswechselrichteranordnung (1), umfassend einen positiven Hochspannungseingang (2+) zum Versorgen einer Plusleitung (3+), einen negativen Hochspannungseingang (2-) zum Versorgen einer Minusleitung (3-), einen Pulswechselrichter (4) zum Bereitstellen mindestens einer Wechselspannung aus einer über die Leitungen (3+,3-) bereitgestellten Gleichspannung, mindestens eine Widerstandsanordnung (6) zwischen der Plusleitung (3+) und der Minusleitung (3-) mit mindestens einem Widerstand (Rx), wobei die mindestens eine Widerstandsanordnung (6) mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter (7) aufweist, der dazu eingerichtet und derart angeordnet ist, eine über die mindestens eine Widerstandanordnung (6) zwischen der Plusleitung (3+) und der Minusleitung (3-) ausgebildete elektrische Verbindung zu schließen oder zu trennen, undeine Steuereinrichtung (8), wobei die Steuereinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, zumindest in einem normalen Betriebszustand den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter (7) sperrend zu schalten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Pulswechselrichteranordnung (1).The invention relates to a pulse-controlled inverter arrangement (1), comprising a positive high-voltage input (2+) for supplying a positive line (3+), a negative high-voltage input (2-) for supplying a negative line (3-), a pulse-controlled inverter (4) for providing at least an AC voltage from a DC voltage provided via the lines (3+,3-), at least one resistor arrangement (6) between the plus line (3+) and the minus line (3-) with at least one resistor (Rx), the at least one resistor arrangement (6) has at least one self-conducting semiconductor switch (7) which is set up and arranged in such a way as to close or close an electrical connection established via the at least one resistor arrangement (6) between the positive line (3+) and the negative line (3-). separate, and a control device (8), wherein the control device (8) is set up, at least in a normal operating state, the at least ens to turn off a normally on semiconductor switch (7). The invention also relates to a method for operating a pulse-controlled inverter arrangement (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Pulswechselrichteranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Pulswechselrichteranordnung.The invention relates to a pulse-controlled inverter arrangement and a method for operating a pulse-controlled inverter arrangement.
In Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, wird parallel zu einem Pulswechselrichter eine Widerstandskette verbaut. Die Widerstandskette hat das Ziel, einen vorgeschalteten Zwischenkreiskondensator im Notfall, nachdem ein vorgeschaltetes Schütz eine Verbindung zu einer Hochvoltbatterie bereits getrennt hat, in einer vorgegebenen Zeit zu entladen. Weitere Funktionen der Widerstandskette umfassen das Schützen des Zwischenkreiskondensators bei Überspannung und, in Zusammenwirken mit diesem, das Erreichen einer definierten Zeitkonstante beim Be- und Entladen (z.B. τ = 5RC). Ein solches Verhalten kann einen Spannungsanstieg bei auftretenden Impulsen verzögern und einer Steuerungssoftware ausreichend Zeit zum Eingreifen geben.In vehicles, in particular electric vehicles, a resistor chain is installed in parallel with a pulse-controlled inverter. The aim of the resistor chain is to discharge an upstream intermediate circuit capacitor within a specified time in an emergency after an upstream contactor has already disconnected a connection to a high-voltage battery. Other functions of the resistor chain include protecting the intermediate circuit capacitor in the event of overvoltage and, in conjunction with this, achieving a defined time constant when charging and discharging (e.g. τ = 5RC). Such behavior can delay a voltage rise when pulses occur and give control software sufficient time to intervene.
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Pulswechselrichteranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Pulswechselrichteranordnung zu schaffen, bei denen insbesondere Bauteile eingespart werden können.The invention is based on the object of creating a pulse-controlled inverter arrangement and a method for operating a pulse-controlled inverter arrangement in which, in particular, components can be saved.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Pulswechselrichteranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by a pulse-controlled inverter arrangement having the features of
Insbesondere wird eine Pulswechselrichteranordnung geschaffen, umfassend einen positiven Hochspannungseingang zum Versorgen einer Plusleitung, einen negativen Hochspannungseingang zum Versorgen einer Minusleitung, einen Pulswechselrichter zum Bereitstellen mindestens einer Wechselspannung aus einer über die Leitungen bereitgestellten Gleichspannung, mindestens eine Widerstandsanordnung zwischen der Plusleitung und der Minusleitung mit mindestens einem Widerstand, wobei die mindestens eine Widerstandsanordnung mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter aufweist, der dazu eingerichtet und derart angeordnet ist, eine über die mindestens eine Widerstandanordnung zwischen der Plusleitung und der Minusleitung ausgebildete elektrische Verbindung zu schließen oder zu trennen, und eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, zumindest in einem normalen Betriebszustand den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter sperrend zu schalten.In particular, a pulse-controlled inverter arrangement is created, comprising a positive high-voltage input for supplying a positive line, a negative high-voltage input for supplying a negative line, a pulse-controlled inverter for providing at least one AC voltage from a DC voltage provided via the lines, at least one resistor arrangement between the positive line and the negative line with at least one Resistor, wherein the at least one resistor arrangement has at least one self-conducting semiconductor switch which is set up and arranged in such a way to close or disconnect an electrical connection formed between the positive line and the negative line via the at least one resistor arrangement, and a control device, wherein the control device for this purpose is set up, at least in a normal operating state, to turn off the at least one normally on semiconductor switch.
Ferner wird insbesondere ein Verfahren zum Betreiben einer Pulswechselrichteranordnung zur Verfügung gestellt, wobei mindestens eine Widerstandsanordnung mit mindestens einem Widerstand zwischen einer von einem positiven Hochspannungseingang gespeisten Plusleitung und einer von einem negativen Hochspannungseingang gespeisten Minusleitung betrieben wird, wobei mindestens ein selbstleitender Halbleiterschalter der mindestens einen Widerstandsanordnung zum Schließen oder Trennen einer über die mindestens eine Widerstandanordnung zwischen der Plusleitung und der Minusleitung ausgebildeten elektrischen Verbindung betrieben wird, und wobei der mindestens eine selbstleitende Halbleiterschalter mittels einer Steuereinrichtung der Pulswechselrichteranordnung zumindest in einem normalen Betriebszustand sperrend geschaltet wird.Furthermore, in particular a method for operating a pulse-controlled inverter arrangement is provided, with at least one resistor arrangement having at least one resistor between a positive line fed from a positive high-voltage input and a negative line fed from a negative high-voltage input being operated, with at least one normally on semiconductor switch of the at least one resistor arrangement for Closing or separating an electrical connection formed via the at least one resistor arrangement between the positive line and the negative line is operated, and the at least one self-conducting semiconductor switch is switched off by means of a control device of the pulse-controlled inverter arrangement at least in a normal operating state.
Die Pulswechselrichteranordnung und das Verfahren ermöglichen es, eine Energieeffizienz in einem normalen Betriebszustand zu erhöhen, da der mindestens eine Widerstand der mindestens einen Widerstandsanordnung von den Leitungen getrennt wird, sodass kein Strom über den mindestens einen Widerstand fließen kann. Hierdurch kann das Auftreten einer Verlustleistung verhindert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Widerstandsanordnung mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter aufweist. Der mindestens eine selbstleitende Halbleiterschalter dient dazu, eine über die mindestens eine Widerstandsanordnung zwischen der Plusleitung und der Minusleitung ausgebildete elektrische Verbindung zu schließen oder zu trennen. Gesteuert wird der mindestens eine selbstleitende Halbleiterschalter mittels einer Steuereinrichtung der Pulswechselrichteranordnung. In einem normalen Betriebszustand der Pulswechselrichteranordnung steuert die Steuereinrichtung den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter derart an, dass dieser sperrend, das heißt, nichtleitend ist. Im normalen Betriebszustand entsteht also keinerlei Verlustleistung an dem mindestens einen Widerstand der mindestens einen Widerstandsanordnung. Anders ausgedrückt wird keine elektrische Energie ohne weitere Nutzung in Wärme umgewandelt. Tritt jedoch ein Fehler auf, das heißt, befindet sich die Pulswechselrichteranordnung außerhalb des normalen Betriebszustands, so steuert die Steuereinrichtung den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter nicht mehr aktiv an, sodass dieser leitend wird und eine elektrische Verbindung zwischen der Plusleitung und der Minusleitung über den mindestens einen Widerstand ausgebildet wird. Der mindestens eine Widerstand kann dann insbesondere dafür eingesetzt werden, einen vorgeschalteten Zwischenkreiskondensator im Notfall, insbesondere nachdem ein vorgeschaltetes Schütz eine Verbindung zu einer Hochvoltbatterie bereits getrennt hat, in einer vorgegebenen Zeit zu entladen. Ferner kann der mindestens eine Widerstand insbesondere den Zwischenkreiskondensator bei Überspannung schützen und, insbesondere in Zusammenwirken mit diesem, eine definierte Zeitkonstante beim Be- und Entladen vorgeben (z.B. τ = 5RC). Ein solches Verhalten kann insbesondere einen Spannungsanstieg bei auftretenden Impulsen verzögern und einer Steuerungssoftware ausreichend Zeit zum Eingreifen geben. Da ein selbstleitender Halbleiterschalter verwendet wird, ist auch bei einem Ausfall der Steuereinrichtung bzw. einem Ausfall der Ansteuerung sichergestellt, dass eine elektrische Verbindung ausgebildet wird.The pulse-controlled inverter arrangement and the method make it possible to increase energy efficiency in a normal operating state, since the at least one resistor of the at least one resistor arrangement is disconnected from the lines, so that no current can flow through the at least one resistor. This can prevent the occurrence of a power loss. This is achieved in that the resistor arrangement has at least one self-conducting semiconductor switch. The at least one normally on semiconductor switch is used to close or disconnect an electrical connection established via the at least one resistor arrangement between the positive line and the negative line. The at least one normally on semiconductor switch is controlled by a control device of the pulse-controlled inverter arrangement. In a normal operating state of the pulse-controlled inverter arrangement, the control device controls the at least one self-conducting semiconductor switch in such a way that it is blocked, that is to say non-conducting. In the normal operating state, there is therefore no power loss at the at least one resistor of the at least one resistor arrangement. In other words, no electrical energy is converted into heat without further use. However, if an error occurs, i.e. if the pulse-controlled inverter arrangement is not in the normal operating state, the control device no longer actively controls the at least one self-conducting semiconductor switch, so that it becomes conductive and an electrical connection between the positive line and the negative line via the at least one resistance is formed. The at least one resistor can then be used in particular to discharge an upstream intermediate circuit capacitor in an emergency, in particular after an upstream contactor has already disconnected a connection to a high-voltage battery, within a predetermined time. Furthermore, the at least one resistor can in particular protect the intermediate circuit capacitor in the event of overvoltage and, in particular in conjunction with this, can specify a defined time constant during charging and discharging (e.g. τ=5RC). Such behavior can, in particular, delay a voltage rise when pulses occur and give control software sufficient time to intervene. Since a self-conducting semiconductor switch is used, it is ensured that an electrical connection is formed even if the control device fails or the control fails.
Durch das Verbessern der Energieeffizienz erlauben es die Pulswechselrichteranordnung und das Verfahren insbesondere ferner, dass eine Batterieladung besser genutzt werden kann. Bei Verwendung in einem Fahrzeug kann hierdurch eine Reichweite erhöht werden.By improving the energy efficiency, the pulse-controlled inverter arrangement and the method in particular also allow better use to be made of a battery charge. When used in a vehicle, a range can be increased as a result.
Die mindestens eine Widerstandsanordnung kann insbesondere mehrere Widerstände, insbesondere in Form einer Widerstandskette, das heißt, in Form von in Reihe geschalteten Widerständen, aufweisen. Beispielsweise kann die Widerstandsanordnung vier Widerstände aufweisen, insbesondere in Form einer aus den vier Widerständen gebildeten Widerstandskette. Grundsätzlich kann aber auch eine andere Zahl von Widerständen vorgesehen sein.The at least one resistor arrangement can in particular have a plurality of resistors, in particular in the form of a resistor chain, that is to say in the form of resistors connected in series. For example, the resistor arrangement can have four resistors, in particular in the form of a resistor chain formed from the four resistors. In principle, however, a different number of resistors can also be provided.
Ein Halbleiterschalter ist insbesondere als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet. Selbstleitend bedeutet insbesondere, dass der Halbleiterschalter ohne eine äußere Ansteuerung, das heißt, ohne eine anliegende Gatespannung, in einem leitenden Zustand ist, in dem ein Strom zwischen Source- und Drainkontakt fließen kann. Selbstsperrend bedeutet insbesondere, dass der Halbleiterschalter ohne eine äußere Ansteuerung, das heißt, ohne eine anliegende Gatespannung, in einem sperrenden Zustand ist, in dem kein Strom zwischen Source- und Drainkontakt fließen kann. Grundsätzlich können auch andere Halbleiterschalter verwendet werden, sofern diese ohne äußere Ansteuerung selbstleitend bzw. selbstsperrend sein können.A semiconductor switch is designed in particular as a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET). Self-conducting means, in particular, that the semiconductor switch is in a conducting state in which a current can flow between the source and drain contacts without an external drive, that is to say without a gate voltage being present. Self-locking means, in particular, that the semiconductor switch is in a non-conducting state without an external drive, that is to say without a gate voltage being present, in which no current can flow between the source and drain contacts. In principle, other semiconductor switches can also be used, provided they can be self-conducting or self-locking without external control.
Ein normaler Betriebszustand ist insbesondere ein Betriebszustand des Pulswechselrichters und/oder der Pulswechselrichteranordnung und/oder einer Einrichtung, in oder mit der die Pulswechselrichteranordnung betrieben wird, in dem ein Betrieb fehlerfrei ist.A normal operating state is in particular an operating state of the pulse-controlled inverter and/or the pulse-controlled inverter arrangement and/or a device in or with which the pulse-controlled inverter arrangement is operated, in which operation is error-free.
Die Pulswechselrichteranordnung kann zusätzlich insbesondere auch einen Zwischenkreiskondensator umfassen. Ferner kann die Pulswechselrichteranordnung zusätzlich insbesondere auch Mittel zum Bereitstellen von Zwischenspannungen für den Pulswechselrichter bereitstellen, beispielsweise in Form eines Transformators mit an den Wicklungen abgreifbaren Zwischenspannungen.The pulse-controlled inverter arrangement can additionally, in particular, also include an intermediate circuit capacitor. Furthermore, the pulse-controlled inverter arrangement can also in particular also provide means for providing intermediate voltages for the pulse-controlled inverter, for example in the form of a transformer with intermediate voltages that can be tapped off at the windings.
Die Pulswechselrichteranordnung kann insbesondere in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, verwendet werden.The pulse-controlled inverter arrangement can be used in particular in a vehicle, in particular in a motor vehicle.
Teile der Steuereinrichtung können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung ganz oder teilweise in analoger Schaltungstechnik ausgebildet ist.Parts of the control device can be designed individually or combined as a combination of hardware and software, for example as program code that is executed on a microcontroller or microprocessor. It can However, it can also be provided that parts are designed individually or combined as an application-specific integrated circuit (ASIC) or field-programmable gate array (FPGA). However, it can also be provided that the control device is designed entirely or partially using analog circuit technology.
Es ist vorgesehen, dass die Pulswechselrichteranordnung mindestens einen Versorgungsabgriff an der mindestens einen Widerstandsanordnung aufweist, wobei der mindestens eine Versorgungsabgriff dazu eingerichtet ist, Gatetreiber des Pulswechselrichters zumindest während einer Einschaltphase des Pulswechselrichters zu versorgen oder eine Versorgung zu aktivieren. Hierdurch können die Gatetreiber während einer Einschaltphase versorgt werden, ohne dass hierfür zusätzliche Bauteile notwendig sind. Durch die Verwendung zumindest eines Teils der mindestens einen Widerstandsanordnung zur Versorgung der Gatetreiber während der Einschaltphase können Bauteile und Bauraum eingespart werden.It is provided that the pulse-controlled inverter arrangement has at least one supply tap on the at least one resistor arrangement, the at least one supply tap being set up to supply gate drivers of the pulse-controlled inverter at least during a switch-on phase of the pulse-controlled inverter or to activate a supply. As a result, the gate drivers can be supplied during a switch-on phase without the need for additional components. By using at least part of the at least one resistor arrangement to supply the gate driver during the switch-on phase, components and installation space can be saved.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, mehrere Eingangssignale logisch miteinander verknüpft zu verarbeiten und den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter nicht mehr sperrend zu schalten, wenn mindestens eines der mehreren Eingangssignale ein vorgegebenes Auslösekriterium erfüllt. Hierdurch können Zustände außerhalb des normalen Betriebszustands anhand von mehreren Eingangssignalen erkannt werden. Die logische Verknüpfung ist hierbei derart gewählt und/oder dazu eingerichtet, dass der mindestens eine selbstleitende Halbleiterschalter auch bei einem Ausfall der Logik und/oder der Steuereinrichtung stets in den leitenden Zustand übergeht.In one embodiment, it is provided that the control device is set up to process a number of input signals logically linked to one another and to no longer switch the at least one normally on semiconductor switch to blocking when at least one of the number of input signals meets a predetermined triggering criterion. As a result, states outside of the normal operating state can be detected using a number of input signals. In this case, the logical operation is selected and/or set up in such a way that the at least one self-conducting semiconductor switch always changes to the conducting state even if the logic and/or the control device fails.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine zwischen der Plusleitung und der Minusleitung erfasste Spannung mit einem Überspannungsschwellenwert zu vergleichen und bei Erreichen oder Überschreiten des Überspannungsschwellenwertes den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter nicht mehr sperrend zu schalten. Hierdurch kann eine Überspannung über den mindestens einen Widerstand der mindestens einen Widerstandsanordnung, insbesondere über ein zusammen mit einem Zwischenkreiskondensator gebildetes RC-Glied, gezielt begrenzt und/oder abgebaut werden. Die Pulswechselrichteranordnung kann hierdurch vor einer Beschädigung geschützt werden.In one embodiment, it is provided that the control device is set up to compare a voltage detected between the plus line and the minus line with an overvoltage threshold value and, when the overvoltage threshold value is reached or exceeded, to no longer turn off the at least one normally on semiconductor switch. As a result, an overvoltage across the at least one resistor of the at least one resistor arrangement, in particular via an RC element formed together with an intermediate circuit capacitor, can be specifically limited and/or reduced. As a result, the pulse-controlled inverter arrangement can be protected from damage.
Es kann weiterbildend vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Hystereseschaltung auszubilden und/oder bereitzustellen, wobei die Hystereseschaltung nach einem Erreichen oder Überschreiten des Überspannungsschwellenwertes dafür sorgt, dass nach Unterschreiten einer vorgegebenen Rücksetzspannungsschwelle der mindestens eine Halbleiterschalter wieder sperrend geschaltet wird.It can be provided in a further development that the control device is set up to form and/or provide a hysteresis circuit, with the hysteresis circuit ensuring that after the overvoltage threshold value has been reached or exceeded that the at least one semiconductor switch is switched to the off state again after a predetermined reset voltage threshold has been undershot.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter zumindest außerhalb des normalen Betriebszustands zeitabhängig in einer vorgegebenen Weise anzusteuern. Hierdurch kann eine Belastung des mindestens einen Widerstands zeitlich begrenzt werden. Hierdurch können der mindestens eine Widerstand bzw. die mehreren Widerstände insgesamt kleiner ausgelegt sein. Dies reduziert Kosten und Bauraum (z.B. eine benötigte Leiterplattenfläche). Insbesondere kann vorgesehen sein, den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter gepulst anzusteuern, um zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand hin und herzu schalten.In one embodiment, it is provided that the control device is set up to actuate the at least one normally on semiconductor switch in a predetermined manner as a function of time, at least outside of the normal operating state. As a result, a load on the at least one resistor can be limited in time. As a result, the at least one resistor or the plurality of resistors can be designed to be smaller overall. This reduces costs and installation space (e.g. a required circuit board area). In particular, it can be provided that the at least one self-conducting semiconductor switch is driven in a pulsed manner in order to switch back and forth between a conducting and a blocking state.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pulswechselrichteranordnung mindestens eine weitere Widerstandsanordnung zwischen der Plusleitung und der Minusleitung und/oder zumindest teilweise parallel zu der mindestens einen Widerstandsanordnung mit mindestens einem Widerstand umfasst, wobei die mindestens eine weitere Widerstandsanordnung mindestens einen selbstsperrenden Halbleiterschalter aufweist, der dazu eingerichtet und derart angeordnet ist, eine über die mindestens eine weitere Widerstandanordnung und/oder zumindest teilweise über die mindestens eine Widerstandsanordnung zwischen der Plusleitung und der Minusleitung ausgebildete elektrische Verbindung zu schließen oder zu trennen, wobei die Steuereinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, den mindestens einen selbstsperrenden Halbleiterschalter zumindest außerhalb des normalen Betriebszustands anzusteuern. Hierdurch kann ein Entladen eines Zwischenkreiskondensators und gegebenenfalls weiterer Kapazitäten verbessert werden, da ein weiterer Pfad zum Entladen bereitgestellt werden kann. Dies ermöglicht ein schnelleres Entladen einer Zwischenkreiskapazität und gegebenenfalls vorhandener weiterer Kapazitäten. Insbesondere kann eine Anzahl der zum Entladen verwendeten Widerstände erhöht werden, sodass die einzelnen Widerstände kleiner ausgelegt werden können, wodurch Kosten und Bauraum eingespart werden können.In one embodiment it is provided that the pulse-controlled inverter arrangement comprises at least one further resistor arrangement between the positive line and the negative line and/or at least partially parallel to the at least one resistor arrangement with at least one resistor, the at least one further resistor arrangement having at least one self-locking semiconductor switch which is is set up and arranged in such a way as to close or disconnect an electrical connection formed via the at least one further resistor arrangement and/or at least partially via the at least one resistor arrangement between the positive line and the negative line, the control device also being set up to switch the at least one self-locking To control semiconductor switches at least outside of the normal operating state. This can improve the discharging of an intermediate circuit capacitor and possibly further capacitances, since a further path for discharging can be provided. This enables faster discharging of an intermediate circuit capacitance and any further capacitances that may be present. In particular, the number of resistors used for discharging can be increased, so that the individual resistors can be made smaller, which means that costs and installation space can be saved.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter und den mindestens einen selbstsperrenden Halbleiterschalter derart anzusteuern, dass diese in zeitlich vorgegebener Weise leitend geschaltet werden. Insbesondere kann hierdurch ein Aufteilen einer Belastung bzw. einer anfallenden Verlustleistung erfolgen. In der Folge können die Widerstände kleiner ausgelegt werden, sodass Kosten und Bauraum eingespart werden können. Insbesondere kann vorgesehen sein, den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter und den mindestens einen selbstsperrenden Halbleiterschalter abwechselnd in einen leitfähigen Zustand zu schalten. Dies kann insbesondere in gepulster Form erfolgen. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, einen Leistungsfluss zeitlich im Verhältnis von 50 % zu 50 % aufzuteilen. Es können jedoch auch andere Verhältnisse vorgesehen sein, welche insbesondere von einer Anzahl und Auslegung der einzelnen Widerstände in der mindestens einen Widerstandsanordnung und der mindestens einen weiteren Widerstandsanordnung abhängig sein kann. Es kann jedoch gelten, dass die Zeiten, in denen der mindestens eine selbstleitende Halbleiterschalter und der mindestens eine selbstsperrende Halbleiterschalter leitend sind, insgesamt in der Summe 100 % nicht überschreiten, das heißt, dass die Halbleiterschalter insbesondere abwechselnd leitend geschaltet werden. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Summe von >100 % möglich.In one embodiment, it is provided that the control device is also set up to control the at least one normally on semiconductor switch and the at least one normally off semiconductor switch in such a way that these be switched to be conductive at a predetermined time. In particular, a load or an accruing power loss can be divided up as a result. As a result, the resistors can be made smaller, so that costs and installation space can be saved. In particular, it can be provided that the at least one normally on semiconductor switch and the at least one normally off semiconductor switch are alternately switched to a conductive state. This can be done in pulsed form in particular. In this case, for example, provision can be made for a power flow to be divided over time in a ratio of 50% to 50%. However, other ratios can also be provided, which can depend in particular on a number and design of the individual resistors in the at least one resistor arrangement and the at least one further resistor arrangement. However, it can be the case that the times during which the at least one normally on semiconductor switch and the at least one normally off semiconductor switch are conductive do not total more than 100%, which means that the semiconductor switches are switched conductive in particular alternately. In principle, however, a total of >100% is also possible.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung als Eingangssignal zum Steuern des mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalters und/oder des mindestens einen weiteren selbstsperrenden Halbleiterschalters mindestens eines der folgenden Eingangssignale verwendet und/oder auswertet: ein Steuersignal eines Controllers des Pulswechselrichters, ein Steuersignal eines Co-Controllers des Pulswechselrichters, ein Fail-Safe-Ausgang von einem System Basic Chip des Pulswechselrichters mit einer Watchdog-Funktion, ein Überspannungserkennungssignal und/oder ein Unfallsignal (Crashsignal) einer Fahrzeugsteuerung. Grundsätzlich können jedoch alternativ oder zusätzlich auch andere Eingangssignale verwendet werden.In one embodiment it is provided that the control device uses and/or evaluates at least one of the following input signals as an input signal for controlling the at least one normally on semiconductor switch and/or the at least one further normally off semiconductor switch: a control signal from a controller of the pulse-controlled inverter, a control signal from a co- Controllers of the pulse-controlled inverter, a fail-safe output from a system basic chip of the pulse-controlled inverter with a watchdog function, an overvoltage detection signal and/or an accident signal (crash signal) from a vehicle controller. In principle, however, other input signals can also be used as an alternative or in addition.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei Eingangssignale zum Steuern des mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalters und/oder des mindestens einen weiteren Halbleiterschalters verwendet werden. Hierdurch kann eine Redundanz geschaffen werden. Es kann dann beispielsweise möglich sein, auf einen Co-Prozessor zu verzichten, wodurch Kosten und Bauraum eingespart werden können.A further embodiment provides that at least two input signals are used to control the at least one normally on semiconductor switch and/or the at least one further semiconductor switch. This allows redundancy to be created. It can then be possible, for example, to dispense with a co-processor, which means that costs and installation space can be saved.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pulswechselrichteranordnung eine an der mindestens einen Widerstandsanordnung angeordnete zuschaltbare Spannungsmesseinrichtung umfasst. Dies ermöglicht es, eine an der mindestens einen Widerstandsanordnung abfallende Spannung zu erfassen und beispielsweise zu Diagnosezwecken auszuwerten und zu verwenden. Ein Zu- und Abschalten kann beispielsweise mittels eines Halbleiterschalters erfolgen. Durch die Verwendung zumindest eines Teils der mindestens einen Widerstandsanordnung zur Spannungsmessung können Bauteile eingespart werden, sodass Kosten und Bauraum reduziert werden können.In one embodiment it is provided that the pulse-controlled inverter arrangement comprises a switchable voltage measuring device arranged on the at least one resistor arrangement. This makes it possible to detect a voltage drop across the at least one resistor arrangement and to evaluate and use it for diagnostic purposes, for example. Switching on and off can take place, for example, by means of a semiconductor switch. By using at least part of the at least one resistor arrangement for voltage measurement, components can be saved, so that costs and installation space can be reduced.
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Funktion der mindestens einen Widerstandsanordnung durch Ansteuern des mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalters und Ansteuern und/oder Auslesen der Spannungsmesseinrichtung zu überprüfen. Hierdurch kann insbesondere eine Plausibilität überprüft werden. Hierzu werden der Reihe nach insbesondere verschiedene Schaltzustände des mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalters und der Zu- und Abschaltung der Spannungsmessung aktiviert. Nach dem jeweiligen Aktivieren wird jeweils überprüft, ob eine Spannung mittels der Spannungsmesseinrichtung erfasst werden kann oder nicht. Bei korrekter Funktionsweise ergibt sich dann die folgende Plausibilitätsmatrix, wobei beim Plausibilisieren jeweils eine einzelne Spalte der Matrix betrachtet wird:
Insbesondere wird ferner auch ein Fahrzeug geschaffen, umfassend mindestens eine Pulswechselrichteranordnung nach einer der beschriebenen Ausführungsformen. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Grundsätzlich kann das Fahrzeug aber auch ein anderes Land-, Wasser-, Schienen, Luft- oder Raumfahrzeug sein, beispielsweise eine Drohne oder ein Lufttaxi.In particular, a vehicle is also created, comprising at least one pulse-controlled inverter arrangement according to one of the described embodiments. The vehicle is in particular a motor vehicle, in particular a hybrid or electric vehicle. In principle, however, the vehicle can also be another land, water, rail, air or space vehicle, for example a drone or an air taxi.
Weitere Merkmale zur Ausgestaltung des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen der Pulswechselrichteranordnung. Die Vorteile des Verfahrens sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen der Pulswechselrichteranordnung.Further features for the configuration of the method result from the description of configurations of the pulse-controlled inverter arrangement. The advantages of the method are in each case the same as in the configurations of the pulse-controlled inverter arrangement.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Pulswechselrichteranordnung; -
2 eine schematische Darstellung einer logischen Verknüpfung zur Ansteuerung des selbstleitenden Halbleiterschalters; -
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Pulswechselrichteranordnung; -
4 eine schematische Darstellung einer logischen Verknüpfung zur Ansteuerung eines selbstsperrenden Halbleiterschalters einer Ausführungsform der Pulswechselrichteranordnung; -
5 eine schematische Darstellung von weiteren Ausführungsformen der Pulswechselrichteranordnung.
-
1 a schematic representation of an embodiment of the pulse-controlled inverter arrangement; -
2 a schematic representation of a logical operation for driving the normally on semiconductor switch; -
3 a schematic representation of a further embodiment of the pulse-controlled inverter arrangement; -
4 a schematic representation of a logic operation for driving a self-locking semiconductor switch of an embodiment of the pulse-controlled inverter arrangement; -
5 a schematic representation of further embodiments of the pulse-controlled inverter arrangement.
In
Die Pulswechselrichteranordnung 1 umfasst einen positiven Hochspannungseingang 2+ zum Versorgen einer über ein Schütz (nicht gezeigt) trennbaren Plusleitung 3+ aus einer Batterie B, einen negativen Hochspannungseingang 2- zum Versorgen einer ebenfalls über ein Schütz (nicht gezeigt) trennbaren Minusleitung 3- aus der Batterie B, einen Pulswechselrichter 4 zum Bereitstellen mindestens einer Wechselspannung aus einer über die Leitungen 3+, 3-bereitgestellten Gleichspannung. Der Pulswechselrichter 4 stellt in der dargestellten Ausführungsform ein dreiphasiges Drehfeld für eine elektrische Maschine M bereit. Der Pulswechselrichter 4 wird hierzu mit der Gleichspannung gespeist, die von den Leitungen 3+, 3-bereitgestellt wird. Zwischenspannungen, die beispielsweise von einem Transformator (nicht gezeigt) mit Zwischenabgriffen bereitgestellt wird, versorgen eine Logik und Ansteuerspannungen von Gatetreibern des Pulswechselrichters 4.The pulse-controlled
Die Pulswechselrichteranordnung 1 weist eine Widerstandsanordnung 6 zwischen der Plusleitung 3+ und der Minusleitung 3- auf. Die Widerstandsanordnung 6 weist in dem gezeigten Beispiel vier in Reihe geschaltete Widerstände R1, R2, R3, R4 auf. Zwischen den Widerständen R1, R2, R3, R4 und der Plusleitung 3+ oder zwischen den Widerständen R1, R2, R3, R4 und der Minusleitung ist ein selbstleitender Halbleiterschalter 7, beispielsweise ein selbstleitender MOSFET, angeordnet, wobei jeweils nur eine der beiden Möglichkeiten ausgebildet ist. Mittels des selbstleitenden Halbleiterschalters 7 kann eine über die mindestens eine Widerstandanordnung 6 zwischen der Plusleitung 3+ und der Minusleitung 3- ausgebildete elektrische Verbindung geschlossen oder geöffnet werden.The pulse-controlled
Der selbstleitende Halbleiterschalter 7 wird mittels einer Steuereinrichtung 8 über einen Gatekontakt angesteuert. Die Steuereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, zumindest in einem normalen Betriebszustand, in dem kein Fehler vorliegt, den selbstleitenden Halbleiterschalter 7 sperrend zu schalten. Hierdurch wird die elektrische Verbindung der in Reihe geschalteten Widerstände R1, R2, R3, R4 von der Plusleitung 3+ bzw. von der Minusleitung 3- getrennt, sodass keine (Verlust-)Leistung über die Widerstände R1, R2, R3, R4 fließen kann. In einem Zustand außerhalb des normalen Betriebszustands, beispielsweise einem Fehlerzustand, bei dem eine elektrische Verbindung zwischen einer Batterie B und den Hochspannungseingängen 2+, 2-, insbesondere mittels eines Schützes (nicht gezeigt), bereits getrennt wurde, wird der selbstleitende Halbleiterschalter 6 entweder durch aktives Wegschalten einer Gatespannung mittels der Steuereinrichtung 8 oder passiv durch Wegfall der Gatespannung leitend geschaltet, sodass eine elektrische Verbindung zwischen den Widerständen R1, R2, R3, R4 der Widerstandsanordnung 6 ausgebildet wird und eine Zwischenkreiskapazität C (sowie gegebenenfalls vorhandene weitere Kapazitäten) kontrolliert entladen werden kann.The self-conducting
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 8 dazu eingerichtet ist, den selbstleitenden Halbleiterschalter 6 zumindest außerhalb des normalen Betriebszustands zeitabhängig in einer vorgegebenen Weise anzusteuern. Beispielsweise kann eine pulsförmige Ansteuerung erfolgen, bei der der selbstleitende Halbleiterschalter 6 gepulst leitend bzw. sperrend geschaltet wird.It can be provided that the
In
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine zwischen der Plusleitung und der Minusleitung erfasste Spannung mit einem Überspannungsschwellenwert zu vergleichen und bei Erreichen oder Überschreiten des Überspannungsschwellenwertes den mindestens einen selbstleitenden Halbleiterschalter 7 (
Das Eingangssignal 10-2 kann beispielsweise von einem Controller 12 des Pulswechselrichters 4 (
Die logische Verknüpfung 9-1 umfasst im gezeigten Beispiel einen Operationsverstärker, zwei NOR-Gatter und ein NAND-Gatter, kann grundsätzlich aber je nach Anwendungsfall auch anders ausgebildet sein.In the example shown, the logical link 9-1 includes an operational amplifier, two NOR gates and a NAND gate, but can in principle also be designed differently depending on the application.
Die in der
In
Es ist in der gezeigten Ausführungsform zusätzlich vorgesehen, dass die Pulswechselrichteranordnung 1 eine weitere Widerstandsanordnung 14 zwischen der Plusleitung 3+ und der Minusleitung 3- und/oder zumindest teilweise parallel zu der mindestens einen Widerstandsanordnung 6 umfasst. Die weitere Widerstandsanordnung 14 umfasst in der gezeigten Ausführungsform drei in Reihe geschaltete Widerstände R20, R21, R22. Die weitere Widerstandsanordnung 14 weist ferner in diesem Beispiel einen selbstsperrenden Halbleiterschalter 15 auf (grundsätzlich kann der selbstsperrende Halbleiterschalter 15 auch auf der Seite der Minusleitung 3- angeordnet sein), der dazu eingerichtet und derart angeordnet ist, eine über die weitere Widerstandanordnung 14 und/oder zumindest teilweise über die Widerstandsanordnung 6 zwischen der Plusleitung 3+ und der Minusleitung 3- ausgebildete elektrische Verbindung zu schließen oder zu trennen. Die Steuereinrichtung 8 ist ferner dazu eingerichtet, den selbstsperrenden Halbleiterschalter 15 zumindest außerhalb des normalen Betriebszustands anzusteuern.In the embodiment shown, it is additionally provided that the pulse-controlled
Insbesondere ist die weitere Widerstandsanordnung 14 in dem gezeigten Beispiel elektrisch mit einem Abgriff 16 zwischen den Widerständen R1 und R2 der Widerstandsanordnung 6 und mit der Minusleitung 3- verbunden. Der Abgriff 16 ist elektrisch mit dem selbstsperrenden Halbleiterschalter 15 verbunden, der selbstsperrende Halbleiterschalter 15 ist mit den Widerständen R20, R21, R22 verbunden. Grundsätzlich kann die weitere Widerstandsanordnung 14 aber auch anders ausgestaltet und elektrisch kontaktiert sein.In particular, the
Zum Steuern des selbstleitenden Halbleiterschalters 7 (hier beispielhaft mit der Minusleitung 3-verbunden) und des selbstsperrenden Halbleiterschalters 15 weist die Steuereinrichtung 8 beispielsweise Module 8-1, 8-2 auf, in denen signaltechnisch jeweils eine logische Verknüpfung zum Ansteuern der Halbleiterschalter 7, 15 ausgebildet ist.To control the normally-on semiconductor switch 7 (here connected to the
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 8 ferner dazu eingerichtet ist, den selbstleitenden Halbleiterschalter 7 und den selbstsperrenden Halbleiterschalter 15 derart anzusteuern, dass diese in zeitlich vorgegebener Weise leitend geschaltet werden. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 8 die Halbleiterschalter 7, 15 in gepulster Weise abwechselnd leitend schalten. Hierdurch kann eine Belastung der einzelnen Widerstände Rx reduziert werden.It can be provided that the
In
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 8 (
In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens zwei Eingangssignale 10-x zum Steuern des selbstleitenden Halbleiterschalters 7 und/oder des weiteren Halbleiterschalters 15 (
In
In der gezeigten Ausführungsform weist die Pulswechselrichteranordnung 1 eine an der Widerstandsanordnung 6 angeordnete zuschaltbare Spannungsmesseinrichtung 22 auf. Die Spannungsmesseinrichtung 22 umfasst in der gezeigten Ausführungsform eine dem Verpolschutz dienende Diode 23, welche mit einem Spannungsabgriff 24 zwischen den Widerständen R3, R4 und einem Emitter eines Bipolartransistors 25 verbunden ist. Der Bipolartransistor 25 ist kollektorseitig mit den Widerständen R10, R11 verbunden, welche in Reihe geschaltet mit GND einer Niedervoltversorgung verbunden sind. Eine Basis des Bipolartransistors 25 wird mittels eines hierfür vorgesehenen Moduls 8-3 der Steuereinrichtung 8 gesteuert. Nach Durchschalten des Bipolartransistors 25 (und des selbstleitenden Halbleiterschalters 7) fällt an dem Widerstand R11 eine Spannung ab. Die Spannung am Widerstand R11 wird zu Diagnosezwecken erfasst.In the embodiment shown, the pulse-controlled
Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 8 dazu eingerichtet ist, eine Funktion der Widerstandsanordnung 6 durch Ansteuern des selbstleitenden Halbleiterschalters 7 und Ansteuern und/oder Auslesen der Spannungsmesseinrichtung 22 zu überprüfen. Hierzu wird insbesondere eine vorgegebene Plausibilitätsmatrix von Schaltzuständen überprüft. Hierzu werden der Reihe nach insbesondere verschiedene Schaltzustände des selbstleitenden Halbleiterschalters 7 und der über den Bipolartransistor 25 erfolgenden Zu- und Abschaltung der Spannungsmessung 22 aktiviert. Nach dem jeweiligen Aktivieren wird jeweils überprüft, ob eine Spannung mittels der Spannungsmesseinrichtung 22 erfasst werden kann oder nicht. Bei korrekter Funktionsweise ergibt sich dann die folgende Plausibilitätsmatrix:
Die erste Zeile gibt spaltenweise die möglichen Schaltzustände des selbstleitenden Halbleiterschalters 7 an („1“ = leitend). Die zweite Zeile gibt spaltenweise die möglichen Schaltzustände des Bipolartransistor 25 an („1“ = leitend). Die dritte Zeile gibt spaltenweise an, ob eine Spannung erwartet wird („1“) oder nicht. Die korrekte Funktionsweise, d.h. eine Plausibilität, wird nun durch spaltenweises Einstellen der Schaltzustände an dem selbstleitenden Halbleiterschalter 7 und dem Bipolartransistor 25 und Vergleichen der nachfolgenden Spannungsmessung (Spannung gemessen oder nicht) überprüft. Nur wenn sowohl der selbstleitende Halbleiterschalter 7 als auch der Bipolartransistor 25 leitend geschaltet sind, darf an dem Widerstand R11 eine Spannung abfallen (vgl. Spalte 3), ansonsten nicht.Columns in the first row indicate the possible switching states of the normally on semiconductor switch 7 (“1”=conductive). Columns in the second line indicate the possible switching states of the bipolar transistor 25 (“1”=conductive). The third line indicates in columns whether a voltage is expected ("1") or not. Correct functioning, i.e. plausibility, is now checked by column-by-column setting of the switching states on the normally on
Es ist vorgesehen, dass die Pulswechselrichteranordnung 1 einen Versorgungsabgriff 27 an der Widerstandsanordnung 6 aufweist, wobei der Versorgungsabgriff 27 dazu eingerichtet ist, Gatetreiber des Pulswechselrichters 4 zumindest während einer Einschaltphase des Pulswechselrichters 4 über einen Transformator 5 zu versorgen oder eine Versorgung zu aktivieren. In dem gezeigten Beispiel befindet sich der Versorgungsabgriff 27 zwischen den Widerständen R2, R3 der Widerstandsanordnung 6. Grundsätzlich kann der Versorgungsabgriff 27 aber auch woanders angeordnet sein.It is provided that the pulse-controlled
Neben einer Steigerung der Energieeffizienz aufgrund einer verringerten Verlustleistung können mit der in dieser Offenbarung beschriebenen Pulswechselrichteranordnung 1 auch Bauteile eingespart werden, sodass Kosten und Bauraum eingespart werden können.In addition to an increase in energy efficiency due to a reduced power loss, components can also be saved with the pulse-controlled
Das Verfahren zum Betreiben einer Pulswechselrichteranordnung 1 wird insbesondere mittels einer der beschriebenen Ausführungsformen ausgeführt.The method for operating a pulse-controlled
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- PulswechselrichteranordnungPWM inverter arrangement
- 2+2+
- positiver Hochspannungseingangpositive high voltage input
- 2-2-
- negativer Hochspannungseingangnegative high voltage input
- 3+3+
- Plusleitungpositive line
- 3-3-
- Minusleitungnegative wire
- 44
- Pulswechselrichterpulse inverter
- 55
- Transformatortransformer
- 66
- Widerstandsanordnungresistor assembly
- 77
- selbstleitender Halbleiterschalterself-conducting semiconductor switch
- 88th
- Steuereinrichtungcontrol device
- 8-18-1
- Modulmodule
- 8-28-2
- Modulmodule
- 8-38-3
- Modulmodule
- 9-19-1
- logische Verknüpfunglogical connection
- 9-29-2
- logische Verknüpfunglogical connection
- 10-x10-x
- Eingangssignalinput signal
- 1111
- Überspannungssignalovervoltage signal
- 1212
- Controllercontrollers
- 1313
- AusgangExit
- 1414
- weitere Widerstandsanordnungfurther resistance arrangement
- 1515
- selbstsperrender Halbleiterschalterself-locking semiconductor switch
- 1616
- Abgrifftap
- 1717
- Controllercontrollers
- 1818
- Co-Controllerco-controller
- 1919
- Fail-Safe-AusgangFail safe output
- 2020
- Überspannungserkennungssignalovervoltage detection signal
- 2121
- Unfallsignalaccident signal
- 2222
- Spannungsmesseinrichtungvoltage measuring device
- 2323
- Diodediode
- 2424
- Spannungsabgriffvoltage tap
- 2525
- Bipolartransistorbipolar transistor
- 2626
- Unfallerkennungaccident detection
- 2727
- Versorgungsabgriffsupply tap
- 5050
- Fahrzeugvehicle
- BB
- Batteriebattery
- CC
- Zwischenkreiskapazitätintermediate circuit capacity
- MM
- elektrische Maschineelectric machine
- RxRx
- WiderstandResistance
Claims (9)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |